(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤と、
前記酸化剤と燃焼し燃焼ガスが通過するガス流路を備える固体燃料と、
前記ガス流路から導かれた前記燃焼ガスを噴射するノズルと、を有するハイブリッドロケットエンジンにおいて、
前記ガス流路を形成する壁部には、前記燃焼ガスに接触する前記固体燃料の表面積を増加させる突起部が設けられており、
前記突起部は、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向に延在する第１の突起部と、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向かつ前記第１の突起部と交わる方向に延在する第２の突起部とを含み、
前記壁部には、前記第１の突起部が前記第２の突起部と交わって格子模様が形成される表面加工が施されていることを特徴とするハイブリッドロケットエンジン。
【請求項２】
酸化剤と、
前記酸化剤と燃焼し燃焼ガスが通過するガス流路を備える固体燃料と、
前記ガス流路から導かれた前記燃焼ガスを噴射するノズルと、を有するハイブリッドロケットエンジンにおいて、
前記ガス流路を形成する壁部には、前記燃焼ガスに接触する前記固体燃料の表面積を増加させる溝が設けられており、
前記溝は、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向に延在する第１の溝と、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向かつ前記第１の溝と交わる方向に延在する第２の溝とを含み、
前記壁部には、前記第１の溝が前記第２の溝と交わって格子模様が形成される表面加工が施されていることを特徴とするハイブリッドロケットエンジン。
【請求項３】
前記ガス流路は、前記固体燃料の長手方向に複数設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッドロケットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッドロケットエンジンに関し、特に、固体燃料を備えるガス流路を形成する壁部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日実用化されているロケットエンジンには、燃料と酸化剤とを燃焼させた化学反応を利用し大量のガスを噴射して大きな推力を得ることができる化学ロケットエンジンがある。この化学ロケットエンジンは、推進剤の形態の違いによって、固体燃料ロケットエンジンと、液体燃料ロケットエンジンと、ハイブリッドロケットエンジンとの３種類に分類される。
このうち、固体燃料ロケットエンジンは、常温で固体の燃料と酸化剤又はそれらの混合物とを使用して推力を得る。固体燃料ロケットエンジンの利点は、構造が単純であること、製造が容易であることが挙げられる。しかし、欠点として、推力制御が困難であること、一度化学反応がおきると燃料を全消費するまで停止することができないことが挙げられる。
また、液体燃料ロケットエンジンは、液体の燃料と酸化剤とを使用して推力を得る。液体燃料ロケットエンジンの利点は、推力制御が容易であること、再着火が可能であることが挙げられる。欠点としては、燃料用の高圧ポンプや配管システムが必要であること、構造が複雑であること、製造費が固体燃料ロケットエンジンに比べて高価であることが挙げられる。
これに対して、ハイブリッドロケットエンジンは、固体燃料ロケットエンジンの利点である構造が単純である点と液体燃料ロケットエンジンの利点である推力調整が容易である点及び再着火性に優れている点とを備えている。そこで、ハイブリッドロケットエンジンの研究が進められている。
一般に、ハイブリッドロケットエンジンは、図６（Ａ）に示されるように燃焼室２と燃焼室２に連通するノズル４とを備えている。燃焼室２の内側には、固体燃料３を有している。固体燃料３の形状は、円筒中空状である。この中空部は、酸化剤と燃焼ガスとが通過するポート５と呼ばれる。ポート５を通過した燃焼ガスは、燃焼室２の下流側に備えられているノズル４から噴出される。この噴出される燃焼ガスによって、ハイブリッドロケットエンジン１は推力を得る。図６（Ｂ）には、ポート５の壁部（固体燃料３）における酸化剤と固体燃料３との燃焼の様子を表した部分拡大図が示されている。燃焼室２の上流側から酸化剤及び高温の燃焼ガスが固体燃料３の表面を通過する。固体燃料３は、パラフィンなどから製造され、高温の燃焼ガスと接触することによって気化する。気化した固体燃料３は、ポート５において酸化剤と混合される。混合された酸化剤と気化した固体燃料３とは、燃焼し燃焼ガスを発生する。発生した燃焼ガスはポート５の下流に流れる。
このようなハイブリッドロケットエンジンに関し、特許文献１には、固体燃料と酸化剤との混合について酸化剤を均一に固体燃料に散布させる発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−６１１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１には、ポート内の固体燃料の気化を促進し、酸化剤と気化した固体燃料との混合度を促進することによって燃焼効率を促す発明が記載されているが、近年さらに燃焼効率の改善が望まれている。また、特許文献１に記載の発明は、酸化剤が流れる管を固体燃料の半径方向に設けるため、また酸化剤が流れる管を作成する必要があるために製作時間及びコストがかかるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ポート内を通過する燃焼ガスによる固体燃料への熱量伝達の増大と、気化した固体燃料と酸化剤との混同度の促進とによって燃焼効率を増加させることができるハイブリッドロケットエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のハイブリッドロケットエンジンは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるハイブリッドロケットエンジンは、酸化剤と、前記酸化剤と燃焼し燃焼ガスが通過するガス流路を備える固体燃料と、前記ガス流路から導かれた前記燃焼ガスを噴射するノズルと、を有するハイブリッドロケットエンジンにおいて、前記ガス流路を形成する壁部には、前記燃焼ガスに接触する前記固体燃料の表面積を増加させる突起部が設けられており前記突起部は、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向に延在する第１の突起部と、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向かつ前記第１の突起部と交わる方向に延在する第２の突起部とを含み、前記壁部には、前記第１の突起部が前記第２の突起部と交わって格子模様が形成される表面加工が施されていることを特徴とする。
【０００７】
壁部に表面積を増加させる表面加工を施すことにより、燃焼ガスが固体燃料と接触する表面積を増加させることができるので、燃焼ガスから固体燃料に伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【０００９】
突起部によって燃焼ガスが固体燃料と接触する表面積が増加するので、燃焼ガスから固体燃料に伝達される熱量が増加する。また、突起部によって剥離した燃焼ガスが下流側の壁部（固体燃料）に再付着し、固体燃料に伝達される熱量が増加する。さらに、突起部によってその下流側に乱流が発生するので、酸化剤と固体燃料との混合度が促進される。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００１０】
さらに、本発明の参考例にかかるハイブリッドロケットエンジンの壁部には、前記燃焼ガスの流れ方向に対して直交する方向に延在する突起部が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
突起部によって燃焼ガスが固体燃料と接触する表面積が増加するので、燃焼ガスから固体燃料に伝達される熱量が増加する。また、突起部によって剥離した燃焼ガスが下流側の壁部（固体燃料）に再付着し、固体燃料に伝達される熱量が増加する。さらも、突起部によってその下流側に乱流が発生するので、酸化剤と固体燃料との混合度が促進される。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００１３】
格子模様を形成しなかった場合に比べて、燃焼ガスと接触する固体燃料の表面積が増加するので、固体燃料に伝達される熱量が更に増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００１４】
さらに、本発明にかかるハイブリッドロケットエンジンは、酸化剤と、前記酸化剤と燃焼し燃焼ガスが通過するガス流路を備える固体燃料と、前記ガス流路から導かれた前記燃焼ガスを噴射するノズルと、を有するハイブリッドロケットエンジンにおいて、前記ガス流路を形成する壁部には、前記燃焼ガスに接触する前記固体燃料の表面積を増加させる溝が設けられており、前記溝は、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向に延在する第１の溝と、前記燃焼ガスの流れ方向に対して斜め方向かつ前記第１の溝と交わる方向に延在する第２の溝とを含み、前記壁部には、前記第１の溝が前記第２の溝と交わって格子模様が形成される表面加工が施されていることを特徴とする。
【００１５】
溝によって燃焼ガスが固体燃料と接触する表面積が増加するので、燃焼ガスから固体燃料に伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。また、突起部を有する場合と比べて、加工が容易となる。
【００１７】
格子模様を形成しなかった場合に比べて、燃焼ガスが固体燃料に接触する面積が増加するので、固体燃料に伝達される熱量が更に増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００１８】
さらに、本発明の参考例にかかるハイブリッドロケットエンジンの壁部には、ねじ溝が施されていることを特徴とする。
【００１９】
ガス流路の壁部（固体燃料）の凹凸部分が増えるので、燃焼ガスが固体燃料と接触する表面積が増加する。また、ねじ山の後流で乱流が発生し、酸化剤と固体燃料との混合度が促進される。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。また、突起部を有する場合と比べて、加工が容易となる。
【００２０】
さらに、本発明の参考例にかかるハイブリッドロケットエンジンの壁部には、前記ガス流路の長手方向に延在する縦溝が複数形成され、各々が並行に設けられていることを特徴とする。
【００２１】
ガス流路の壁部には複数の縦溝が設けられるので、燃焼ガスから固体燃料へ伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。また、突起部を有する場合と比べて、加工が容易となる。
【００２２】
さらに、本発明にかかるハイブリッドロケットエンジンのガス流路は、前記固体燃料の長手方向に複数設けられていることを特徴とする。
【００２３】
複数のガス流路内を燃焼ガスが通過するので、燃焼ガスが固体燃料に接触する面積が増加する。そのため、固体燃料に伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、ガス流路を通過する燃焼ガスが固体燃料に接触する表面積が増加するので、燃焼ガスから固体燃料に伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るハイブリッドロケットエンジンの燃焼室を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）はガス流路を形成する壁部に施された表面加工の部分拡大図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るガス流路の壁部に施された表面加工の縦断面拡大図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るハイブリッドロケットエンジンの燃焼室を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）はガス流路を形成する壁部に施された表面加工の部分拡大図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係るハイブリッドロケットエンジンの燃焼室を示し、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶ−ＩＶ部における横断面図であり、（Ｃ）はガス流路の壁部に施された表面加工の部分拡大図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係るハイブリッドロケットエンジンの燃焼室を示し、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は図５（Ａ）のＶ−Ｖ部における横断面図であり、（Ｃ）はガス流路の壁部に施された表面加工の部分拡大図である。
【図６】従来のハイブリッドロケットエンジンの燃焼室を示し（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は燃焼室における燃焼の様子を表した部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第１実施形態］
以下に、本発明に係る第１実施形態について、図１を参照して説明する。
図１（Ａ）に示すハイブリッドロケットエンジンは、燃焼室２と、液体酸化剤を有した酸化剤タンク（図示せず）と、加圧ガスタンク（図示せず）とを備えている。燃焼室２と酸化剤タンクとは、制御弁（図示せず）を介して接続されている。酸化剤タンクの他端には、加圧ガスタンクが接続されている。燃焼室２は、その内部に固体燃料３を有し、他端はノズルに連通している。
固体燃料３は、燃焼室２の長手方となる中心軸線上に沿って１本の空洞が形成された円筒中空状とされている。固体燃料３に形成された空洞は、燃焼が行われるポート（ガス流路）５となっている。
【００２７】
図１（Ｂ）には、ポート５を形成する壁部に施された表面加工が示されている。
ポート５の壁部には、燃焼ガスが固体燃料３に接触する表面積を増加させる突起部１０ａ，１０ｂが表面加工として設けられている。突起部１０ａ，１０ｂは、ポート５を流れる燃焼ガスの流れ方向に対して斜めの角度方向に延在して設けられている。突起部１０ａは、燃焼ガスの流れの上流から下流に向かって斜め方向に平行して複数設けられている。また、それら突起部１０ａと交わる方向には、他の突起部１０ｂが燃焼ガスの流れの上流から下流に向かって斜め方向に平行して複数設けられている。突起部１０ａと突起部１０ｂとが交わって複数のひし形の格子模様１１を形成している。
【００２８】
液体酸化剤は、加圧ガスタンク内のガスによって加圧される。加圧された液体酸化剤は、酸化剤タンクと燃焼室２との間に備えられている制御弁によってその流量が制御されて、燃焼室２内に導かれる。燃焼室２内に導かれた酸化剤は、固体燃料３に送られ点火されて燃焼が開始する。燃焼によって生じた燃焼ガスは、燃焼室２内の固体燃料３に形成されたポート５を通過し、ノズルから噴出する。ノズルから燃焼ガスが噴出する反動によって、推力が発生してハイブリッドロケットエンジンが発射される。
【００２９】
以上の通り、本実施形態に係るハイブリッドロケットエンジンによれば、以下の作用効果を奏する。
壁部に表面積を増加させる表面加工を施すことにより、燃焼ガスが固体燃料３と接触する表面積を増加させることができるので、燃焼ガスから固体燃料３に伝達される熱量が増加する。従って、容易に燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００３０】
さらに、突起部１０ａ，１０ｂによって燃焼ガスが固体燃料３と接触する表面積が増加するので、燃焼ガスから固体燃料３に伝達される熱量が増加する。また、突起部１０ａ，１０ｂによって剥離した燃焼ガスが下流側の壁部（固体燃料３）に再付着し、固体燃料３に伝達される熱量が増加する。さらに、突起部１０ａ，１０ｂによりその下流側には乱流が発生するので、酸化剤と固体燃料３との混合度が促進される。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００３１】
さらに、格子模様１１を形成しなかった場合に比べて、燃焼ガスが固体燃料３と接触する表面積が増加するので、固体燃料３に伝達される熱量が更に増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００３２】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。
本実施形態のハイブリッドロケットエンジンの構成は、ポートの壁部に設けられている突起部が燃焼ガスの流れ方向に対して直交している点において第１実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図２には、ポートを燃焼ガスが流れる方向の壁部（固体燃料３）の縦断面拡大図が示されている。
ポートの壁部には、燃焼ガスが固体燃料３に接触する表面積を増加させる表面加工として突起部１３が設けられている。突起部１３は、ポートの内周方向に連続している。さらに、突起部１３は、ポート内を燃焼ガスが流れる方向に上流から下流に向かって複数設けられ、燃焼ガスの流れ方向に対して直交する方向に等間隔に配置されている。
【００３３】
以上の通り、本実施形態に係るハイブリッドロケットエンジンによれば、以下の作用効果を奏する。
突起部１３によって燃焼ガスが固体燃料３と接触する表面積が増加するので、燃焼ガスから固体燃料３に伝達される熱量が増加する。また、突起部１３によって剥離した燃焼ガスが下流側の壁部に再付着し、固体燃料３に伝達される熱量が増加する。さらに、突起部１３によってその下流側に乱流が発生するので、酸化剤と固体燃料３との混合度が促進される。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００３４】
なお、突起部１３の高さ及び幅、突起部１３が設けられる間隔については、燃焼ガスと固体燃料３とが接触する表面積を増加させ、また、突起部１３によって剥離した燃焼ガスの流れが固体燃料３の表面に再付着するために適したものとし、実験等によって求めることができる。
【００３５】
また、本実施形態においては、突起部１３がポートの壁部の内周方向に連続して設けられるとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポートの壁部に断続的に設けられても良い。
また、本実施形態において、突起部１３はポートを燃焼ガスが流れる方向に対して直交する向に等間隔に設けられるとして説明したが、一の突起部１３が他の突起部１３と交わることによって格子模様を形成するものとしても良い。
【００３６】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について図３に基づいて説明する。
本実施形態のハイブリッドロケットエンジンの構成は、燃焼ガスの流れ方向に対して斜めの角度を有する表面加工が溝である点において第１実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図３（Ｂ）には、図３（Ａ）に示す燃焼室２に備えられている固体燃料３のポート５内を流れる燃焼ガスの流れ方向に対して斜めに形成された溝１４ａ，１４ｂが表面加工として設けられている壁部の部分拡大図が示されている。
ポート５の壁部（固体燃料３）には、燃焼ガスが固体燃料３に接触する表面積を増加させる表面加工として溝１４ａ，１４ｂが設けられている。溝１４ａ，１４ｂは、ポート５を流れる燃焼ガスの流れ方向に対して斜め角度方向に延在して設けられている。溝１４ａは、燃焼ガスの流れの上流から下流に向かって斜め方向に平行して複数設けられている。また、それらの溝１４ａと交わる方向には、他の溝１４ｂが燃焼ガスの流れの上流から下流に向かって斜め方向に平行して複数設けられている。溝１４ａと溝１４ｂとは、交わって複数のひし形の格子模様１１を形成している。
【００３７】
以上の通り、本実施形態に係るハイブリッドロケットエンジンによれば、以下の作用効果を奏する。
溝１４ａ，１４ｂによって燃焼ガスが固体燃料３と接触する表面積が増加するので、燃焼ガスから固体燃料３に伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。また、突起部を有する場合と比べて、加工が容易となる。
【００３８】
さらに、格子模様１１を形成しなかった場合に比べて、燃焼ガスが固体燃料３に接触する面積が増加するので、固体燃料３に伝達される熱量が更に増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００３９】
また、溝１４ａ，１４ｂの深さ及び間隔については、燃焼ガスが固体燃料３に接触する表面積を増加させるために適したものとし、実験等によって求めることができる。
【００４０】
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について図４に基づいて説明する。
本実施形態のハイブリッドロケットエンジン１の構成は、ポート５が固体燃料３の長手方向に複数設けられ、各ポート５の壁部にはねじ溝１５が設けられている点において第１実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図４（Ａ）には本実施形態にかかるハイブリッドロケットエンジン１の燃焼室２の縦断面図が示されている。燃焼室２は、固体燃料３を有している。固体燃料３には、複数（例えば１４本）のポート５が形成されている。各ポート５は、固体燃料３の長手方向に延在している。図４（Ｂ）には、図４（Ａ）のＩＶ−ＩＶ部における横断面図が示されている。燃焼室２の内周には、中実円柱の固体燃料３が備えられている。固体燃料３は、固体燃料３の長手方向にポート５を複数有している。図４（Ｃ）には、図４（Ａ）のａ部に示すポート５の壁部の表面加工の部分拡大図が示されている。ポート５の壁部の表面加工として、ねじ溝１５が形成されている。
【００４１】
以上の通り、本実施形態に係るハイブリッドロケットエンジン１によれば、以下の作用効果を奏する。
ポート５の壁部の凹凸部分が増えるので、燃焼ガスが固体燃料３に接触する表面積が増加する。また、ねじ山の後流で乱流が発生し、酸化剤と固体燃料３との混合度が促進される。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。また、突起部を有する場合と比べて、加工が容易となる。
【００４２】
さらに、複数のポート５内を燃焼ガスが通過するので、燃焼ガスと固体燃料３とが接触する面積が増加する。そのため、固体燃料３に伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００４３】
なお、ねじ溝１５のピッチについては、燃焼ガスが固体燃料３に接触する表面積を増加させるために適したものとし、実験等によって求めることができる。
【００４４】
また、本実施形態においては、ポート５は固体燃料３の長手方向に複数備えられているとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１に示したように、固体燃料３の長手方向に１本形成されているとしても良い。
また、表面加工としては、ねじ溝１５として説明したが、図１から図３のような表面加工を施してもよい。
【００４５】
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について図５に基づいて説明する。
本実施形態のハイブリッドロケットエンジンの構成は、ポートが固体燃料の長手方向に複数設けられ、各ポートの壁部には縦溝が複数設けられている点において第１実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図５（Ａ）には、本実施形態にかかるハイブリッドロケットエンジン１の燃焼室２の縦断面図が示されている。燃焼室２は、固体燃料３を有している。固体燃料３には、複数（例えば１４本）のポート５が形成されている。各ポート５は、固体燃料３の長手方向に延在している。図５（Ｂ）には、図５（Ａ）のＶ−Ｖ部における横断面図が示されている。燃焼室２の内周には、中実円柱の固体燃料３が備えられている。固体燃料３は、固体燃料３の長手方向にポート５を複数有している。図５（Ｃ）には、図５（Ｂ）のｂ部に示すポート５の壁部の表面加工の部分拡大図が示されている。ポート５の壁部には、表面加工としてポート５の円周に複数の縦溝１６が形成されている。縦溝１６は、ポート５の長手方向に延在し、各々の縦溝１６が並行に設けられている。縦溝１６は、ポート５と直交する断面が凹形状を有している。
【００４６】
以上の通り、本実施形態に係るハイブリッドロケットエンジン１によれば、以下の作用効果を奏する。
ポート５の円周には複数の縦溝１６が設けられるので、燃焼ガスから固体燃料３へ伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。また、突起部を有する場合と比べて、加工が容易となる。
【００４７】
さらに、複数のポート５を燃焼ガスが通過するので、燃焼ガスが固体燃料３に接触する面積が増加する。そのため、固体燃料３に伝達される熱量が増加する。従って、燃焼効率を増加させることが可能となる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、縦溝１６のポート５と直交する断面の形状について凹形状として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｕ字、Ｖ字形状であってもよい。
また、縦溝１６の断面形状の大きさについては、燃焼ガスが固体燃料３に接触する表面積を増加させるために適したものとし、実験等によって求めることができる。
【符号の説明】
【００４９】
３  固体燃料
４  ノズル
５  ポート（ガス流路）
１０ａ，１０ｂ  突起部(表面加工)
【図１】
0005484796.tif 000002
【図２】
0005484796.tif 000003
【図３】
0005484796.tif 000004
【図４】
0005484796.tif 000005
【図５】
0005484796.tif 000006
【図６】
0005484796.tif 000007